神舟二十號乘組安全返回！此前耽誤航天員回家的“罪魁禍首”究竟是啥？

11月14日，載著神舟二十號航天員乘組的神舟二十一號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸。神舟二十號航天員陳冬、陳中瑞、王杰全部安全順利出艙，健康狀態良好。

11月14日，載著神舟二十號航天員乘組的神舟二十一號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸。新華社發（汪江波 攝）

前期，在拍照判讀、設計復核、仿真分析和風洞試驗的基礎上，經綜合評估，神舟二十號載人飛船返回艙舷窗玻璃出現細微裂紋，最大可能是受空間碎片外部沖擊導致，不滿足載人安全返回的放行條件，所以神舟二十號乘組搭乘二十一號飛船回了家。

那么問題來了，“空間碎片”是什么？它又為什么會對航天員和飛船構成威脅呢？

01

空間碎片是什么？

它們從何而來？

看似空空蕩蕩的太空，其實暗藏著不少“刺客”。除了天然的微流星體之外，還有許許多多空間碎片，由人類航天活動直接或間接產生。它們還有個更直白的稱呼，叫做“太空垃圾”。

低地球軌道碎片狀態示意圖，圖源：NASA

空間碎片包括失效衛星、廢棄火箭末級、未燒盡的燃料顆粒、航天事故殘骸，從航天器上脫落的小零件、隔熱材料，甚至人類在艙外維修航天器時丟棄或遺失的工具等。碎片與航天器、碎片與碎片之間發生碰撞，又會產生更多更細小的次級碎片。

有些空間碎片是人類在航天時代早期有意散布的。20世紀60年代，美國執行過“西福特計劃”，將4.3億根長1.78厘米、直徑25.4微米的銅質針狀偶極天線散布到高度3500公里以上的軌道上，形成輔助遠程通信的云狀環。

直至今日，仍有數目可觀的銅針殘留在軌道上，偶然返回大氣層，還有許多早期空間碎片是反衛星武器試驗的產品。

隨著航天事業的發展，地球軌道上的空間碎片數量與日俱增。據歐洲空間局2025年10月21日發布的空間環境報告，截至2024年8月，可以追蹤的尺寸超過10厘米的空間碎片已經超過4.4萬個，1厘米以上的120萬個，“不在冊”的小碎片更是不計其數。

圖源：giphy

低軌道上的空間碎片會在極其稀薄的大氣阻力影響下逐漸降軌隕落，并在大氣層中燒毀。而如果軌道較高，就能存留很久。例如蘇聯在1972年發射失敗的“宇宙-482”金星探測器的著陸艙，在地球身邊轉了53年后才墜回大氣層。

02

空間碎片為何危害巨大？

小小的空間碎片為何能阻礙神舟二十號的回家之路呢？它們的破壞力從何而來？

答案是速度。

平時看航天員出艙活動的視頻，大家會感覺那是個失重的地方，周圍的一切都在慢悠悠地飄蕩，怎么能撞壞東西呢？實際上，包括航天員在內，這些物體都在圍著地球以第一宇宙速度（接近每秒8公里）疾馳，是步槍子彈速度的10倍。

美國航天飛機上的撞擊坑

“慢悠悠飄蕩”的假象，是因為航天員、空間站和各個設備的運行方向和速度完全一致造成的，就像并排行駛的汽車，乘客能搖下車窗說話一樣（駕駛員不要！）。而如果兩個物體的軌道稍有交叉，那么它們的相遇就會像路口撞車那樣慘不忍睹。

除了對航天器或航天員造成致命傷害以外，還會產生更多的次級碎片。

空間碎片攜帶的動能與它的質量成正比，也與它速度的平方成正比。大個兒的空間碎片可能擊碎航天器的外殼或控制系統，使航天器爆炸、解體、姿態翻轉或偏離軌道；稍小一點的，也能造成撞擊坑，損傷航天器表面器件、太陽能帆板或供電線路。

對于太空行走的航天員來說，他們身著的艙外航天服是個精簡版的迷你飛船，對空間碎片的防護能力更弱，即使是毫米級以下的細小碎片，也能擊穿艙外服的防護層，危及航天員生命。假如空間微小碎片破壞了飛船返回艙的防熱涂層的完整性，也會給航天員的回家之路埋下重大隱患。

03

如何應對空間碎片？

現代航天器的設計正努力從源頭減少空間碎片，例如采用防爆燃料貯箱，減少外露部件。航天器退役時，要主動變軌、再入大氣層銷毀或是改至遙遠的“墓地”軌道。

對于已經存在的空間碎片，航天器的應對策略主要是看碎片的尺寸。目前，針對尺寸超過10厘米的較大碎片，航天器傾向于“躲”，主動實施軌道規避。軌道規避的前提是建立起完善的空間碎片監測預警系統，知道碎片在哪兒，幾時幾刻會到何地。通過高精度光學觀測、圖像處理技術和雷達技術，可以分辨空間碎片，探測其位置和速度，建立軌道跟蹤信息。

更為棘手的是難以觀測的大量小型空間碎片，一是不可預知，二是即使預知也不可能讓航天器頻頻消耗燃料變軌躲避，這時“硬著頭皮撞上去”就成了最佳應對手段。

對于長期駐人的空間站來說，打造一副堅不可摧的鎧甲是非常必要的。以國際空間站為例，按照美國航空航天局的公開標準，防護結構要能經受直徑1.3厘米的鋁球以每秒7公里的速度垂直撞擊。

為此，國際空間站和中國的天宮一號、二號采用的都是惠普爾防護罩。惠普爾防護罩，由1毫米的金屬層、中間空隙和內層厚板組成。空間碎片高速撞擊到外層金屬薄板會將撞擊物粉碎成大量細小碎片，這些碎片在通過中間空隙時會散開，能量也會大幅下降，從而難以貫穿內層厚板，達到保護航天器內部結構的目的。高速相撞會把空間碎片粉碎，讓動能分散到內層板上。

左側為模擬只加厚艙壁，而右側則為加上惠普爾防護板的效果，圖片來自NASA

比起試驗期的兩代天宮來，中國空間站具有更長的在軌時間、更大的組裝規模，因此也對其防護功能提出了更高的需求。它使用的是復合材料填充式防護結構，綜合應用高強度材料和能量吸收層，既減輕了重量，又提升了抗沖擊性能，目前已成功應用于空間站天和核心艙，以及問天、夢天兩大實驗艙，為空間站和航天員筑起固若金湯的堡壘。

空間站并非所有部位都均等防護，而是根據各部分的關鍵性進行區域分級。例如，作為航天員生命保障核心區的密封艙，其防護層級最高；推進系統、供電設備等次之；太陽翼等部件面積大，難以完全防護，更多是借助冗余設計來降低撞擊帶來的風險。

航天員在軌維修同樣是載人航天器防護體系的重要一環。此前，神舟十七號乘組完成了中國航天首次艙外維修任務，神舟十八號、十九號乘組在安裝空間站防護裝置時，還同步開展了艙外設施設備巡檢。神舟二十號乘組的重要工作事項之一，也是繼續安裝空間碎片防護裝置，為空間站“披甲”。

在這次意外小插曲中，我們要盛贊中國載人航天嚴謹的安全意識和高效可靠的應急方案。從神舟十二號任務開始，我們的載人飛船發射均采用“發一備一”的滾動備份機制。即使沒有現成停靠在空間站的神舟二十一號飛船，在地面待命的神舟二十二號飛船也可以隨時升空，把我們的航天英雄接回家。

策劃制作

作者丨曲炯 科普創作者

審核丨白鵬 航天科技集團十一院 研究員

策劃丨張林林

責編丨丁崝、張林林、鐘艷平

審校丨徐來、張林林

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